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隨著(zhù)后PC時(shí)代以及網(wǎng)絡(luò )、通信技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，大量的計算機專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)入了嵌入式應用領(lǐng)域；然而，有大量的嵌入式系統應用是以單片機的形式，應用在傳統的電子技術(shù)領(lǐng)域中。因此，以計算機領(lǐng)域人員為主體的，遠離對象系統的嵌入式系統的計算機工程應用模式，和以電子技術(shù)領(lǐng)域人員為主體，與對象系統緊耦合的電子技術(shù)應用模式產(chǎn)生了概念上的碰撞。許多電子技術(shù)應用模式熟視無(wú)睹、習以為常的概念，在計算機工程應用領(lǐng)域中作為一個(gè)新概念提出時(shí)，常常使電子技術(shù)應用領(lǐng)域中的人員感到莫明其妙。以前的“嵌入式系統”概念是其一，而今“嵌入式系統的實(shí)時(shí)性”又是一例。 1 什么是電子系統的實(shí)時(shí)性 任何一個(gè)電子系統都可看成是一個(gè)激勵-響應系統。每個(gè)特定的電子系統都有一個(gè)從激勵輸入到響應輸出的時(shí)間，即激勵-響應周期T，它表現為系統的響應能力。如果系統的響應能力T能滿(mǎn)足嵌入對象所規定的響應時(shí)間ta要求，即T≤ta，這個(gè)系統便是實(shí)時(shí)的電子系統。 那末，什么是嵌入對象所要求的響應時(shí)間ta呢? 通常，不論哪一種電子系統，都要嵌入到一個(gè)對象體系中，成為一個(gè)電子應用系統，實(shí)現對象體系的控制管理要求，這些控制管理通常都會(huì )有一定的時(shí)間限制。例如，一個(gè)振動(dòng)監測系統，對振動(dòng)波形的檢測周期必須滿(mǎn)足采樣定理要求；飲料生產(chǎn)線(xiàn)上的計量、包裝控制系統，必須在一個(gè)工位的移動(dòng)周期里完成秤量、封口的控制輸出；對于超市中使用的電子秤，在秤量時(shí)，希望能立即顯示出重量和計價(jià)金額；我們日常使用的計算機，在敲擊鍵盤(pán)時(shí)，也要求在顯示屏上快速地出現鍵盤(pán)輸入結果。因此，幾乎所有的電子系統都有一個(gè)客觀(guān)的響應時(shí)間ta要求。這就是電子系統普遍存在的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，即要求T≤ta。 2 三類(lèi)電子應用系統的實(shí)時(shí)性 ta是電子系統具體應用時(shí)，客觀(guān)應用環(huán)境提出的具體響應時(shí)間要求；不同類(lèi)型電子系統的激勵-響應時(shí)間T的不同，形成了不同的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。我們可以按不同的激勵-響應時(shí)間T的特點(diǎn)，將電子系統分為經(jīng)典電子系統、通用計算機系統與嵌入式系統，來(lái)討論不同類(lèi)型的電子應用系統不同的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。 ① 經(jīng)典電子系統：不含計算機的純電子電路系統，例如，測量放大器、電子計數器、溫度指示器(由ADC、譯碼器、LED顯示器構成)等，電路的動(dòng)態(tài)特性決定了系統響應能力T的大小。經(jīng)典電子系統是一個(gè)激勵-響應系統，從激勵到響應的時(shí)間完全取決于電子在電路中的運動(dòng)過(guò)程，因而，它具有極短的、相對固定不變的，從激勵到響應的時(shí)間周期T。在大多數經(jīng)典電子應用系統中，由電路的動(dòng)態(tài)特性決定了T值的大小。一般情況下，應用系統的T遠小于嵌入對象系統的響應(ta)要求，因此，在經(jīng)典電子應用領(lǐng)域中，應用工程師的頭腦中沒(méi)有“實(shí)時(shí)性”名詞的概念，而對一些極快速響應要求的應用系統，如振動(dòng)測量系統，它的實(shí)時(shí)性要求常常反映為電路系統的“頻率響應”要求。 ② 通用計算機系統：是一個(gè)人機交互的激勵-運行-響應系統。它的激勵-響應時(shí)間T表現為電路系統的激勵-響應時(shí)間tc與軟件運行時(shí)間ts，而電路系統的激勵-響應時(shí)間與軟件運行時(shí)間相比為高階小量，因而軟件運行時(shí)間形成了T的主要成份，T=tc+ts≈ts。由于通用計算機系統只使用在人機交互環(huán)境中，對象(人)提出的響應時(shí)間ta要求，只是一個(gè)期望值(盡量快)，而這種欲望一方面表現為永無(wú)止盡，另一方面又表現出現實(shí)的可容忍性。因此，通用計算機系統是一個(gè)非實(shí)時(shí)的電子系統，而快速性成為通用計算機系統發(fā)展的永恒主題。 ③ 嵌入式系統：由于計算機的嵌入，嵌入式系統也是一個(gè)激勵-運行-響應的電子系統。但是，它與嵌入對象交互，與嵌入對象的事件過(guò)程相關(guān)，在與嵌入對象體系交互時(shí)，要滿(mǎn)足事件交互過(guò)程的響應要求。一方面，由于計算機的嵌入，嵌入式應用系統有十分可觀(guān)的激勵-響應時(shí)間ts，導致系統實(shí)時(shí)能力的降低；另一方面，由于嵌入對象體系的多樣性、復雜性，不同的對象體系會(huì )提出不同的響應時(shí)間ta要求。因此，在嵌入式應用系統的具體設計中，必須考慮系統中每一個(gè)任務(wù)運行時(shí)，能否滿(mǎn)足ts≤ta的要求，這就是嵌入式系統的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。 綜上所述，經(jīng)典電子系統應用中，沒(méi)有凸顯出實(shí)時(shí)性的概念，是因為電子系統的激勵-響應時(shí)間T極短，絕大多數電子系統都能滿(mǎn)足T≤ta要求；通用計算機系統應用中，沒(méi)有實(shí)時(shí)性概念，是因為ta只有期望要求；而嵌入式系統應用中，必須考慮實(shí)時(shí)性問(wèn)題，是因為軟件運行的時(shí)間耗費ts，會(huì )使系統的激勵-響應時(shí)間T巨額增加，而不能滿(mǎn)足嵌入對象系統提出的響應時(shí)間ta要求，凸現了嵌入式系統的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。 3 嵌入式系統的實(shí)時(shí)性分析 3.1 嵌入式系統實(shí)時(shí)性的出發(fā)點(diǎn) 嵌入式系統由于是嵌入到對象體系中的一個(gè)電子系統，與對象系統密切相關(guān)。而形形色色的對象系統會(huì )有不同的響應時(shí)間ta要求，如動(dòng)態(tài)信號的采集系統、生產(chǎn)線(xiàn)的控制單元等，有嚴格的響應時(shí)間要求；超市的秤重、計量、收銀機只要求有盡快的響應時(shí)間；在同樣的動(dòng)態(tài)信號采集系統中系統的響應時(shí)間與信號的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。這些不同的嵌入式應用系統的不同響應要求，表現了嵌入對象響應要求(ta)的多樣性。 嵌入式應用系統的激勵-運行-響應特性，形成了以軟件運行時(shí)間ts為主要內容的系統響應能力T。而軟件運行時(shí)間ts與指令速度、編程技巧、程序優(yōu)化等有關(guān)，是一個(gè)在應用系統設計中可以改變的參數，它表現了嵌入式應用系統實(shí)時(shí)能力的可變更性。 因此，ta的多樣性要求與響應時(shí)間ts的可調整性，是嵌入式系統的實(shí)時(shí)性分析的基本出發(fā)點(diǎn)。根據嵌入對象ta的不同要求，調整、變更ts大小，以實(shí)現ts的最佳化，是嵌入式系統實(shí)時(shí)性設計的一項重要內容。 3.2 嵌入式系統的實(shí)時(shí)性分析 (1)實(shí)時(shí)性與快速性 嵌入式系統的實(shí)時(shí)性不是一個(gè)快速性概念，而是一個(gè)等式概念，即能否滿(mǎn)足ts≤ta的要求。因而，快速系統不一定能滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，而某些情況下滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，系統的運行速度并不高。例如，滿(mǎn)足溫度采集實(shí)時(shí)性要求的嵌入式系統，運行速度并不高；而許多高速運行的系統，未必能滿(mǎn)足沖擊振動(dòng)的信號采集的實(shí)時(shí)性要求�？焖傩灾环从沉讼到y的實(shí)時(shí)能力而已。 (2)系統的最佳實(shí)時(shí) 快速性是系統實(shí)時(shí)能力的表現。當系統不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，必須提高系統的運行速度，然而，運行速度的提高必然帶來(lái)系統的一些負面效應，如導致系統功耗加大、電磁兼容性下降。因此，在設計一個(gè)具體的嵌入式系統時(shí)，在保證能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的條件下，應使系統的運行速度降到最低，以滿(mǎn)足系統在功耗、可靠性、電磁兼容性方面獲得最佳的綜合品質(zhì)。 (3)系統的實(shí)時(shí)性分配 在一個(gè)嵌入式應用系統中，有許多過(guò)程環(huán)節。例如，一個(gè)典型的智能儀表就有信號采集、數據處理、結果顯示、鍵盤(pán)輸入等過(guò)程。這些過(guò)程往往是在不同的時(shí)間與空間上進(jìn)行，而且不同過(guò)程的實(shí)時(shí)性要求是不同的。鍵盤(pán)輸入、結果顯示是與人交互的，要滿(mǎn)足人機交互的實(shí)時(shí)性要求；信號采集與對象系統信號的動(dòng)態(tài)性密切相關(guān)，必須滿(mǎn)足由動(dòng)態(tài)信號采集的實(shí)時(shí)性要求；而數據處理則會(huì )形成從動(dòng)態(tài)信號采集到結果顯示的時(shí)間延遲，影響到結果顯示的實(shí)時(shí)性要求。因此一個(gè)優(yōu)秀的實(shí)時(shí)系統設計，必須研究系統中的每一個(gè)過(guò)程環(huán)節，滿(mǎn)足每一個(gè)過(guò)程環(huán)節和整個(gè)系統的最佳實(shí)時(shí)要求。 3.3 實(shí)時(shí)系統的動(dòng)態(tài)誤差 當我們研究嵌入式應用系統的實(shí)時(shí)性時(shí)，與對象系統相關(guān)的過(guò)程，必然是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，否則便不存在實(shí)時(shí)性問(wèn)題。對于任何動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于時(shí)間的滯后，都不可能完全重現原過(guò)程，這之間的差異便是動(dòng)態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)誤差。例如，對于一個(gè) 動(dòng)態(tài)信號的數據進(jìn)行采集時(shí)，在時(shí)間點(diǎn)t上啟動(dòng)采集命令，由于要執行一系列控制指令，產(chǎn)生Δtm滯后；另外，A/D轉換器有一個(gè)轉換過(guò)程，產(chǎn)生Δtc滯后。由于這些時(shí)間滯后，致使在時(shí)間點(diǎn)t上采集的數據，實(shí)際上是時(shí)間點(diǎn)t+Δtm+Δtc上的信號數據.兩者之差便是系統中數據采集的動(dòng)態(tài)誤差。在A(yíng)/D轉換中，常常會(huì )加入一個(gè)采樣/保持電路，就是為了在Δtc窗口上，使動(dòng)態(tài)信號值保持在Δtc的初始時(shí)間點(diǎn)上不變，使得信號值的變化只滯后t+Δtm，以減少動(dòng)態(tài)誤差。 由于系統在動(dòng)態(tài)過(guò)程中控制的滯后，形成了某個(gè)任務(wù)環(huán)節上的動(dòng)態(tài)誤差，這個(gè)動(dòng)態(tài)誤差在對象系統的具體動(dòng)態(tài)過(guò)程確定后，與動(dòng)態(tài)過(guò)程的變化速率有關(guān)。在對象系統一個(gè)具體的動(dòng)態(tài)過(guò)程確定之后，應根據對象動(dòng)態(tài)過(guò)程的變化率和允許的動(dòng)態(tài)誤差值，估算出系統的允許滯后時(shí)間，這一時(shí)間就是應用系統中實(shí)現該動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)性要求的響應時(shí)間ta。例如，在某一個(gè)動(dòng)態(tài)電壓信號數據采集中，信號的最大變化速率為0.1V/ms，只考慮采集控制滯后的誤差因素時(shí)，如該信號電壓給定的誤差應為1mV，就可以最粗略地估算出滿(mǎn)足實(shí)練數據采集任務(wù)的響應時(shí)間ta要求，ta=1mV/(100mV/1ms)=0.01ms。如果系統的數據采集時(shí)間耗費ts能滿(mǎn)足ts≤ta這一要求，系統就能實(shí)現數據的實(shí)時(shí)采集。 4 嵌入式應用系統的實(shí)時(shí)性設計 4.1 系統的實(shí)時(shí)性問(wèn)題分析 由于嵌入式系統是嵌入到對象體系中的專(zhuān)用計算機應用系統，實(shí)現對象體系的智能化控制，因此，都存在著(zhù)對象體系對控制過(guò)程的時(shí)間要求，與嵌入式系統能否滿(mǎn)足這一要求的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。在很多情況下，應用系統設計中沒(méi)有涉及實(shí)時(shí)性設計，這是因為目前計算機已有可觀(guān)的運行速度，在大多數應用系統中，都能滿(mǎn)足T≈ts≤ta，因此，在一般應用系統設計中，實(shí)時(shí)性設計并不突出。 通常，由于嵌入式系統實(shí)現的是對象系統的全面智能化控制，系統中會(huì )有許多相關(guān)的任務(wù)與過(guò)程。例如，一個(gè)數據采集系統不只是要實(shí)現對對象系統環(huán)境參數的采集，還要對采得的信號數據進(jìn)行處理，對處理結果進(jìn)行存儲、顯示，或實(shí)現對外部環(huán)境的控制輸出，在這些進(jìn)程中，還可能有人工的外界干預等。因此，一個(gè)實(shí)時(shí)的嵌入式應用系統，應該在所有的過(guò)程中都能滿(mǎn)足T≈ts≤ta要求。由于系統中每個(gè)過(guò)程所要求的響應時(shí)間ta不同，例如，對對象系統環(huán)境參數采集時(shí)，時(shí)間響應要求決定于被采集參數的動(dòng)態(tài)特性；控制輸出時(shí)則取決了被控對象的控制品質(zhì)要求；信號數據處理、存儲，雖然表現為快速響應的期望要求，但占用了從激勵輸入到響應輸出的中間環(huán)節。對這些環(huán)節的響應時(shí)間要求，必須納入相關(guān)的任務(wù)中考慮。 因此，系統的實(shí)時(shí)性設計首先體現在應用系統總體設計中，要在總體設計中列出有實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，以及這些任務(wù)所要求的響應時(shí)間ta(如果所有任務(wù)的響應時(shí)間要求都是期望要求，則該應用系統不是一個(gè)實(shí)時(shí)的應用系統)，然后考慮應用系統在實(shí)現這些任務(wù)時(shí)，必須耗費的時(shí)間ts。如果應用系統中所有的任務(wù)過(guò)程都能滿(mǎn)足ts≤ta，則該應用系統是一個(gè)本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統。由于在考慮每個(gè)任務(wù)所必須耗費的時(shí)間ts時(shí)，與使用的程序設計語(yǔ)言(是匯編還是高級語(yǔ)言)、程序應用環(huán)境(是否使用操作系統)、硬件環(huán)境(時(shí)鐘系統、指令系統、CPU時(shí)序等)有關(guān)，因此本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統的實(shí)時(shí)性與所系統使用的軟硬件平臺有關(guān)。 如果系統中有一些任務(wù)無(wú)法滿(mǎn)足ts≤ta要求，則必須進(jìn)行系統的實(shí)時(shí)性設計。 4.2 嵌入式系統的實(shí)時(shí)性設計 根據系統的T≈ts≤ta要求，在一個(gè)具體的有實(shí)時(shí)性要求的應用系統中，當系統的任務(wù)確定以后，就可以估算出每個(gè)任務(wù)的時(shí)間響應要求ta，在不考慮電路系統中的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，嵌入式系統的實(shí)時(shí)性設計的中心任務(wù)是通過(guò)軟、硬件設計來(lái)加快任務(wù)的運行過(guò)程，以達到ts≤ta要求。然而，加快系統的運行速度會(huì )帶來(lái)其它問(wèn)題，應在實(shí)時(shí)性設計中一并考慮。 嵌入式系統的應用領(lǐng)域十分廣泛，并不是所有的應用系統都要求是實(shí)時(shí)系統，只有當系統中對任務(wù)有嚴格時(shí)間限定時(shí)，才有系統的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。例如，對打印機這樣一個(gè)嵌入式應用系統，人們并沒(méi)有嚴格的時(shí)間限定，只有一個(gè)“盡可能快的”期望要求，因此，這樣的系統不是實(shí)時(shí)系統。 嵌入式系統的實(shí)時(shí)性設計通常會(huì )有以下幾種情況。 ① 本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統。在這一類(lèi)應用系統中，系統總體及任務(wù)的時(shí)限要求ta都不高，常規的軟硬件技術(shù)都能滿(mǎn)足ts≤ta要求。因此，這種應用系統往往不必要考慮系統的實(shí)時(shí)性設計。例如，一個(gè)溫度測量系統，由于溫度的大慣量特性，滿(mǎn)足一定動(dòng)態(tài)誤差條件下的溫度采集、數據處理、實(shí)時(shí)顯示與打印的響應時(shí)間要求ta值很大，不必采取任何特殊的實(shí)時(shí)設計方法，就能滿(mǎn)足ts≤ta要求，因此，它是一個(gè)本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統， ② 通過(guò)實(shí)時(shí)性設計實(shí)現的實(shí)時(shí)系統。這種嵌入式系統在常規設計下，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，但通過(guò)實(shí)時(shí)性設計，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的系統。例如，一個(gè)倉儲監測系統，要巡回監測100點(diǎn)的入侵事件。從應用要求的可靠性出發(fā)，要求系統對于任何一點(diǎn)入侵事件的響應速度(ta)不得大于1s；而系統對單個(gè)入侵事件的采集、處理、輸出控制的實(shí)際激勵-響應時(shí)間為0.2s。但在常規的巡回監測方式下，對某一點(diǎn)監測的時(shí)間間隔為ts=0.2×100=20s。ts遠大于ta，是一個(gè)非實(shí)時(shí)系統。但這個(gè)系統的實(shí)時(shí)性是可以改變的，如果將每個(gè)監測點(diǎn)入侵事件的輸入激勵的查詢(xún)方式變?yōu)橹袛噍斎敕绞�，使某一監測點(diǎn)的激勵-響應的操作處理時(shí)間(ts)降到0.25s以?xún)�，滿(mǎn)足ts≤ta要求，系統能實(shí)時(shí)地處理任何一個(gè)監測點(diǎn)上入侵事件，而成為一個(gè)實(shí)時(shí)監測系統。 ③ 通過(guò)實(shí)時(shí)性設計實(shí)現的系統的任務(wù)實(shí)時(shí)。在系統有實(shí)時(shí)性要求的情況下，系統能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，系統設計是 成功的；但系統不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，我們常常會(huì )放棄它。例如，衛星發(fā)射時(shí)，控制大廳墻面上，顯示衛星軌跡的衛星運行監測系統，實(shí)時(shí)地采集衛星運行參數，經(jīng)處理后，在大屏幕上實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，這是一個(gè)實(shí)時(shí)系統。但是，無(wú)法實(shí)現衛星發(fā)射過(guò)程中意外事件的實(shí)時(shí)顯示。只能當衛星發(fā)射出現意外事故(如運載火箭爆炸)時(shí)，出現衛星軌跡的中斷。但是，作為彌補，我們可以實(shí)現一個(gè)意外事故的數據采集系統，高速、實(shí)時(shí)地采集與存儲火箭運行狀態(tài)參數，并在火箭失事瞬間，將數據發(fā)回控制中心，實(shí)現意外事故監測系統中，事故數據采集任務(wù)的實(shí)時(shí)性。對于一個(gè)沖擊振動(dòng)的譜分析系統，要求有振動(dòng)波形的采集、時(shí)域信號的頻譜分析、頻譜的圖形顯示等。由于沖擊振動(dòng)的信號過(guò)程時(shí)間極短，譜分析處理耗時(shí)過(guò)多，不可能實(shí)現整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性(振動(dòng)頻譜的實(shí)時(shí)顯示)要求，這時(shí)可以考慮將整個(gè)系統的操作過(guò)程分成一些獨立的部分。例如，將沖擊振動(dòng)譜分析系統的全部操作分成沖擊振動(dòng)信號的波形采集、數據存儲與波形信號的譜分析及其后續操作的兩個(gè)獨立部分，實(shí)現振動(dòng)信號采集、存儲關(guān)鍵任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。 4.3 關(guān)于嵌入式操作系統 在系統的實(shí)時(shí)性設計中，核心的問(wèn)題是降低軟件運行時(shí)間。除了普遍的提高CPU指令運行速度、采用高速 I/O口、計數器的捕獲/比較、多機并行操作等軟、硬件措施外，就是程序設計技巧。而在系統程序中使用操作系統支持時(shí)，由于操作系統介入操作管理帶來(lái)的額外開(kāi)銷(xiāo)，以及對任務(wù)的靈活調度管理，成為系統實(shí)時(shí)性設計的重要問(wèn)題。 嵌入式操作系統使用在嵌入式應用系統中。與通用操作系統相比，嵌入式操作系統有許多特點(diǎn)，如可靠性、可裁剪性、“實(shí)時(shí)性”等。前兩者是嵌入式應用環(huán)境所要求的，而“實(shí)時(shí)性”則是為了滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求的內容。在一些文章中提到某些嵌入式操作系統時(shí)，常常冠以“實(shí)時(shí)操作系統”，但它只是表現為該操作系統具有較好的實(shí)時(shí)能力。在沒(méi)有置身在一個(gè)具體嵌入式應用系統中時(shí)，不存在實(shí)時(shí)性結論。不同的嵌入式操作系統比較時(shí)，可以有實(shí)時(shí)能力上的不同。任何一個(gè)嵌入式操作系統都應有滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性設計的內容(表現為任務(wù)的快速調度、快速運行等)，實(shí)時(shí)能力強的嵌入式操作系統能更容易地實(shí)現應用系統的實(shí)時(shí)性。 結 語(yǔ) 嵌入式系統的實(shí)時(shí)性設計要根據具體的系統，具體分析、具體設計，并不是所有的嵌入式系統都有實(shí)時(shí)性要求。嵌入式系統的實(shí)時(shí)性與快速性有關(guān)，在滿(mǎn)足ts≤ta時(shí)并不是越快越好�？紤]到系統的功耗及可靠性，應在滿(mǎn)足ts≤ta條件下，越慢越好。 |
